將一個(gè)彈性球（橙色）包裹在一層小機(jī)器人（藍(lán)色）中，研究人員可以對(duì)形狀和行為進(jìn)行編程。信用: Jack Binysh

物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，用材料包裹軟體機(jī)器人，使它們能夠以一種更有目的性的方式移動(dòng)和運(yùn)作。由英國(guó)巴斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究今天在《科學(xué)進(jìn)展》上進(jìn)行了描述。

該研究的作者認(rèn)為他們對(duì) "活性物質(zhì) "的突破性建模可能標(biāo)志著機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。隨著這一概念的進(jìn)一步發(fā)展，有可能不是通過(guò)軟體的自然彈性，而是通過(guò)人類(lèi)對(duì)其表面的控制活動(dòng)來(lái)決定其形狀、運(yùn)動(dòng)和行為。

普通軟質(zhì)材料的表面總是縮成一個(gè)球體。想想水珠變成水滴的方式：水珠的發(fā)生是因?yàn)橐后w和其他軟質(zhì)材料的表面自然收縮成最小的表面積--即球體。但是，活性物質(zhì)可以被設(shè)計(jì)成與這種趨勢(shì)背道而馳。這方面的一個(gè)例子是，一個(gè)橡膠球被一層納米機(jī)器人包裹著，這些機(jī)器人被編程為統(tǒng)一工作，將球扭曲成一個(gè)新的、預(yù)先確定的形狀（例如，一個(gè)星星）。

人們希望，活性物質(zhì)將導(dǎo)致新一代的機(jī)器，其功能將自下而上。因此，這些新機(jī)器將由許多單獨(dú)的活性單元組成，它們合作決定機(jī)器的運(yùn)動(dòng)和功能，而不是由中央控制器控制（今天工廠(chǎng)里的機(jī)械臂的控制方式）。這類(lèi)似于我們自己的生物組織的工作原理，如心肌中的纖維。

利用這一想法，科學(xué)家們可以設(shè)計(jì)出軟體機(jī)器，其手臂由柔性材料制成，由嵌入其表面的機(jī)器人提供動(dòng)力。他們還可以通過(guò)在納米顆粒的表面涂上反應(yīng)靈敏的活性材料，定制藥物輸送膠囊的大小和形狀。這反過(guò)來(lái)可以對(duì)藥物與體內(nèi)細(xì)胞的相互作用產(chǎn)生巨大的影響。

有關(guān)活性物質(zhì)的工作挑戰(zhàn)了液體或軟固體表面的能量成本必須總是正數(shù)的假設(shè)，因?yàn)閯?chuàng)造一個(gè)表面總是需要一定的能量。

研究的第一作者Jack Binysh博士說(shuō)："活性物質(zhì)使我們以新的眼光來(lái)看待熟悉的自然規(guī)則--像表面張力必須是正值這樣的規(guī)則。看看如果我們打破這些規(guī)則會(huì)發(fā)生什么，以及我們?nèi)绾文軌蚶眠@些結(jié)果，這是一個(gè)令人興奮的研究場(chǎng)所。"

通訊作者Anton Souslov博士補(bǔ)充說(shuō)："這項(xiàng)研究是一個(gè)重要的概念證明，具有許多有用的意義。例如，未來(lái)的技術(shù)可以生產(chǎn)出柔軟的機(jī)器人，這些機(jī)器人的體積要小得多，而且能更好地拿起和操縱脆弱的材料。"

在這項(xiàng)研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了理論和模擬，描述了一個(gè)三維軟體，其表面經(jīng)歷了主動(dòng)應(yīng)力。他們發(fā)現(xiàn)，這些主動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)大了材料的表面，將下面的固體一起拉動(dòng)，并導(dǎo)致全局形狀變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，固體所采用的精確形狀可以通過(guò)改變材料的彈性特性來(lái)定制。

在這項(xiàng)工作的下一階段--已經(jīng)開(kāi)始了--研究人員將應(yīng)用這一一般原理來(lái)設(shè)計(jì)特定的機(jī)器人，如軟臂或自游泳的材料。他們還將研究集體行為--例如，當(dāng)你有許多活性固體，都擠在一起時(shí)會(huì)發(fā)生什么。